有机溶剂电镀铝及铝合金的介绍

1.电镀铝

有机溶剂电镀铝的镀液必须满足下列要求：①镀出的金属铝纯度高，具有良好的力学性能和物理性能；②不易与周围的杂质（特别是密封电镀槽内微量的氧气）以及阳极发生化学反应；③操作安全，不会引起自燃和爆炸；④分散能力好，阴极电流效率高；⑤对工件和设备无腐蚀作用；⑥使用寿命长，价格合理。根据使用的铝基化合物不同，可将电镀铝的有机溶剂体系分为3类，即AlCl₃+LiAlH₄体系、AlBr₃+HBr/KBr体系和Al（C₂H₅）₃+NaF体系。

（1）AlCl₃+LiAlH₄体系 最早报道的是用二乙醚为溶剂的电镀铝工艺，其溶液组分及工艺条件为：AlCl₃2～3mol/L，LiAlH₄0.5～1.0mol/L，电流密度2～5A/dm²。在该条件下，阴极电流效率约为90%，镀层为银白色，有延展性。该工艺的主要缺点是易挥发，易燃，寿命短。寿命短主要是由于阳极溶解的铝不能用于阴极的沉积，所以镀液组分变化较大，不稳定。

用四氢呋喃或四氢呋喃-苯混合溶剂代替二乙醚，可以降低镀液的挥发性和易燃性，溶液的制备更易操作，更重要的是能够持续电镀铝而不需补充氯化铝，阳极溶解正常，镀液寿命长。镀液组分及工艺条件为：AlCl₃0.7～1.3mol/L，LiAlH₄0.2～1.0mol/L，四氢呋喃与苯的体积比为6∶4，电流密度1～5A/dm²，温度20～40℃。在该条件下，阴极电流效率达100%，阳极电流效率为90%，得到的铝镀层质量好，结合力强。

AlCl₃+LiAlH₄体系中，电镀铝时的阴极反应如下：

4AlCl₃+LiAlH₄→4AlHCl₂+LiAlCl₄

AlHCl₂+3e^-→H⁺+2Cl^-+Al

研究表明，该体系镀液的极化特性、杂质含量及其存在形式是决定镀层延展性好坏的重要因素。在阴极极化较大的条件下得到的镀层中杂质锌、铜、碳等的含量较高，并以第二相的形式析出，致使镀层脆性增大，晶格常数减小；反之，在阴极极化较小的条件下得到的镀层纯度较高，镀层延展性较好。

（2）AlBr₃+HBr/KBr体系 该体系是由无水AlBr₃溶解在芳烃中构成的。有人对以各种芳烃为溶剂的电镀铝进行了研究，得出最适宜于电镀铝的电解液组分为：AlBr₃36%～53%（摩尔分数），乙苯（或二乙苯）与甲苯的摩尔比为1∶1。该体系之所以称为AlBr₃+HBr/KBr体系，是因为镀液在配制过程中形成了HBr。镀液配制过程如下：将被水蒸气饱和的惰性气体通入溶剂中一段时间后，换为通入干燥惰性气体，之后加入AlBr₃，溶剂中少量的水与AlBr₃反应产生HBr，从而形成了AlBr₃+HBr体系镀液。

该工艺电镀过程中需要持续搅拌，以确保溶液浓度均匀。由于阴极电流效率低于阳极电流效率，长时间电镀后必然造成镀液中Al³⁺的积累，致使电导率下降，直至镀液失效。阶段性地向体系中加入HBr气体能够解决这一问题，并使镀液寿命提高。该工艺所得铝镀层与基体结合牢固，耐蚀性好，并能很容易地进行阳极化处理。

由于OH^-对铝的强亲和力，使溶液中的少量水易于取代溴化铝-芳烃中的溴，从而形成配合物：

2（Al₂Br₆·C₆H₅C₂H₅）+H₂O→（Al₂Br₄OH·C₆H₅C₂H₅）⁺+4Br^-+2AlBr₂⁺+（C6H5C2H5H）⁺

所以，电镀铝过程的阴极反应如下：

（Al₂Br₄OH·C₆H₅C₂H₅）⁺+（C₆H₅C₂H₅H）⁺+6e^-→2Al+4Br^-+H₂O+2C₆H₅C₂H₅

HBr的存在降低了镀液的化学和电化学稳定性，也降低了电镀时的阴极电流效率。为此，人们提出了AlBr₃+KBr体系。该体系的镀液组分为：AlBr₃25%～45%（摩尔分数），KBr1%（摩尔分数），乙苯（或二乙苯）与甲苯的摩尔比为1∶1。

AlBr₃+KBr体系的电极反应机理如下：

当KBr与AlBr₂的摩尔比＜＜0.5时，则有(www.xing528.com)

Br^-在溶液中不稳定，会发生如下化学反应：

总电极反应为

当KBr与AlBr₂的摩尔比≈0.5（摩尔比）时，则有

在溶液中不稳定，会发生如下化学反应：

总电极反应为

（3）Al（C₂H₅）₃+NaF体系 该体系使用甲苯为溶剂，其镀液组分（摩尔分数）为：三乙基铝[Al（C₂H₅）₃]30%，氟化钠（NaF）15%。镀液配制过程如下：首先将干燥的氟化钠溶于三乙基铝中，在干燥的惰性气体保护下加热，形成有机铝化合物，之后溶于惰性溶剂甲苯中。该工艺使用的电流密度范围为0.1～0.5A/dm²，工作温度为80～100℃。电镀时阴极电流效率较高，可获得高纯度的铝镀层，镀液寿命长。

2.电镀铝合金

（1）Al-Mg合金 镁是银白色的金属，高温下具有延展性。它的密度小，比较活泼，能与非金属、酸等发生反应。常温下镁在空气中极易氧化生成一层致密的氧化膜，从而阻止镁的继续氧化。Al-Mg合金集合了两者的优点，质量轻，力学性能优良，耐蚀性好，又具有电磁波吸收特性，以及散热好，密度小，防电磁波干扰等特性。Al-Mg合金在盐水及弱碱性溶液中的耐蚀性比纯铝的耐蚀性好。

在AlCl₃-LiAlH₄-THF有机溶剂体系中，通过加入无水MgBr₂，可得到Al-Mg合金镀液。通过研究电流密度、电镀时间等对Al-Mg合金镀层结构、组分、结合力和耐蚀性等的影响，可优选出电镀Al-Mg合金的最佳工艺条件：温度为25℃，电流密度为0.75～1.50A/dm²。

（2）Al-Mn合金 锰对铝的电极电势几乎没有影响，Al-Mn合金的电势实际上与纯铝的电势相同。然而，在工业铝合金中，锰是杂质铁的中和剂，与铁形成更复杂的含铁化合物时，不再产生由FeAl₃引起的点蚀。因此，锰的加入可显著提高Al-Mn合金的耐蚀性。

在AlCl₃-LiAlH₄-MnCl₂-（苯与THF混合）有机溶剂体系中，可电镀得到Al-Mn合金。研究发现，在温度为25℃、电流密度为0.15～0.50A/dm²的条件下电镀30～45min，可得到锰的质量分数为3%～8%、镀层表面光滑、耐蚀性良好的Al-Mn合金镀层。

（3）Al-Ni合金 镍可以显著提高铝的抗蠕变强度，Al-Ni合金的强度随着镍含量的增加呈直线上升趋势。同时，镍还可以细化铝晶粒，抑制晶粒长大。镍能使Al-Ni合金的电极电势比铝高，有利于提高耐蚀性。常态下，镍的引入会使铝的耐蚀性下降；但在高温水或水蒸气中时，Al-Ni合金具有良好的耐蚀性。

在AlCl₃-LiAlH₄-NiCl₂-（苯与THF混合）有机溶剂体系中，可电镀得到Al-Ni合金。研究发现，在温度为25℃、电流密度为0.75～1.00A/dm²的条件下电镀，可得到镍的摩尔分数为0.3%左右、厚度为20μm左右、镀层表面光滑均匀、结晶致密、耐蚀性良好的Al-Ni合金镀层。

（4）Al-Mo合金 钼能够作为铝的晶粒细化剂，提高铝的硬度、强度、伸长率和再结晶温度，但不会明显增加铝的电阻率。因此，研究开发电镀Al-Mo合金有一定的实际意义。

在AlCl₃-LiAlH₄-MoCl₅-（苯与THF混合）有机溶剂体系中，可电镀得到Al-Mo合金。研究发现，在温度为25℃、电流密度为2～3A/dm²的条件下电镀45～60min，可得到钼的摩尔分数为1.5%左右、厚度为20μm左右、镀层表面光滑均匀、结晶致密、耐蚀性良好的Al-Mo合金镀层。